De petites erreurs de modélisation peuvent s’accumuler plus rapidement que prévu lorsque les physiciens combinent plusieurs événements d’ondes gravitationnelles (comme la collision de trous noirs) pour tester la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, suggèrent des chercheurs du Université de Birmingham au Royaume-Uni.
Les résultats, publiés le 16 juin 2021, dans la revue iScience, suggèrent que les catalogues avec aussi peu que 10 à 30 événements avec un rapport signal/bruit de fond de 20 (ce qui est typique pour les événements utilisés dans ce type de test) pourraient fournir des écarts trompeurs par rapport à la relativité générale, pointant à tort vers une nouvelle physique où aucun n’existe. Parce que cela est proche de la taille des catalogues actuels utilisés pour évaluer la théorie d’Einstein, les auteurs concluent que les physiciens doivent procéder avec prudence lors de la réalisation de telles expériences.
« Tester la relativité générale avec des catalogues d’événements d’ondes gravitationnelles est un tout nouveau domaine de recherche », déclare Christopher J. Moore, maître de conférences à la School of Physics and Astronomy & Institute for Gravitational Wave Astronomy de l’Université de Birmingham au Royaume-Uni et l’auteur principal de l’étude. « C’est l’une des premières études à examiner en détail l’importance des erreurs de modèle théorique dans ce nouveau type de test. S’il est bien connu que les erreurs dans les modèles théoriques doivent être traitées avec soin lorsque vous essayez de tester une théorie, nous avons été surpris de la rapidité avec laquelle les petites erreurs de modèle peuvent s’accumuler lorsque vous commencez à combiner des événements dans des catalogues.
En 1916, Einstein a publié sa théorie de la relativité générale, qui explique comment les objets célestes massifs déforment le tissu interconnecté de l’espace et du temps, entraînant la gravité. La théorie prédit que les incidents violents de l’espace extra-atmosphérique tels que trou noir les collisions perturbent l’espace-temps si gravement qu’elles produisent des ondulations appelées ondes gravitationnelles, qui zooment dans l’espace à la vitesse de la lumière. Des instruments tels que LIGO et Virgo ont maintenant détecté des signaux d’ondes gravitationnelles provenant de dizaines de trous noirs fusionnants, que les chercheurs ont utilisés pour mettre la théorie d’Einstein à l’épreuve. Jusqu’à présent, c’est toujours passé. Pour pousser la théorie encore plus loin, les physiciens la testent maintenant sur des catalogues de multiples événements d’ondes gravitationnelles groupées.
“Quand je me suis intéressé à la recherche sur les ondes gravitationnelles, l’une des principales attractions était la possibilité de faire de nouveaux tests plus stricts de la relativité générale”, explique Riccardo Buscicchio, doctorant à la School of Physics and Astronomy & Institute for Gravitational Wave Astronomy. et co-auteur de l’étude. « La théorie est fantastique et a déjà passé avec succès un éventail extrêmement impressionnant d’autres tests. Mais nous savons par d’autres domaines de la physique que cela ne peut pas être complètement correct. Essayer de trouver exactement où il échoue est l’une des questions les plus importantes en physique. »
Cependant, alors que de plus grands catalogues d’ondes gravitationnelles pourraient rapprocher les scientifiques de la réponse dans un proche avenir, ils amplifient également le potentiel d’erreurs. Étant donné que les modèles de formes d’onde impliquent inévitablement des approximations, des simplifications et des erreurs de modélisation, les modèles avec un degré élevé de précision pour des événements individuels pourrait s’avérer trompeur lorsqu’il est appliqué à de grands catalogues.
Pour déterminer comment les erreurs de forme d’onde augmentent à mesure que la taille du catalogue augmente, Moore et ses collègues ont utilisé des catalogues fictifs simplifiés et linéarisés pour effectuer un grand nombre de calculs de test, ce qui impliquait de dessiner des rapports signal/bruit, des décalages et des angles d’alignement d’erreur de modèle pour chaque événement d’onde gravitationnelle. . Les chercheurs ont découvert que le taux d’accumulation des erreurs de modélisation dépend de la tendance ou non à la moyenne des erreurs de modélisation sur de nombreux événements de catalogue différents, du fait que les écarts ont la même valeur pour chaque événement et de la répartition des erreurs de modélisation de forme d’onde entre les événements.
“La prochaine étape sera pour nous de trouver des moyens de cibler ces cas spécifiques en utilisant des modèles plus réalistes mais aussi plus coûteux en calcul”, explique Moore. « Si nous voulons un jour avoir confiance dans les résultats de tels tests, nous devons d’abord avoir une compréhension aussi bonne que possible des erreurs de nos modèles. »
Référence : « Testing general relativity with gravitational-wave catalogs: the insidious nature of waveformvasculars » par Christopher J. Moore, Eliot Finch, Riccardo Buscicchio et Davide Gerosa, 16 juin 2021, iScience.
DOI : 10.1016/j.isci.2021.102577
Ce travail a été soutenu par une subvention de démarrage H2020 ERC de l’Union européenne, le Leverhulme Trust et la Royal Society.
